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1、摘 要本科毕业设计（论文）（双E类逆变器拓扑电路仿真研究）*燕 山 大 学2012年 6月 摘 要感应加热电源是利用电涡流对工件加热的一种装置，由于具有诸多优点而在工业中得到了广泛的应用。目前，国内中频电源已经非常成熟，高频电源在频率、容量等方面还有待提高。因此本文针对高频电源进行了理论分析和研究。文中首先介绍了感应加热电源的工作原理并讲述了国内外的研究现状。接下来分析了E类逆变器的工作原理和双E类逆变器的工作原理，以及工作在最佳状态下MOSFET的电流电压波形，为接下来设计双E类逆变器做了准备。然后分析了谐振电路、E类逆变器的谐振频率等，设计计算了双E逆变器电路的参数。根据双E类逆变器的原理
2、，为使其工作在最佳状态，设计了闭环控制电路。最后用pspice仿真，验证设计方案的可行性。关键词感应加热；MOSFET；E类逆变器；pspiceIAbstractAbstractPower supply for induction heating is an equipment to heat the work piece by whirling current and it is applied widely in industry because of its many virtues. Now, intermediate frequency power supply is perfect
3、, but high frequency power supply has defects in the aspects of frequency and capacity and so on. So high frequency power supply is developed in this thesis.Firstly, operation principle of induction heating is introduced and the actuality of the power supply for induction heating is summarized. Then
4、 analysis the operation principle of class-E inverter, double class-E inverter. and the MOSFET current and voltage waveforms in the best condition, which is preparation for design double class-e inverter next. Moreover series resonant inverter is selected as inverter circuit and explain the resonant
5、 frequency of class-E and double class-E via analysis. In order to simulation the circuit, the inverter circuit parameters are designed and calculated. According to the principle of double class-E inverter, in order to make it work in the best condition ,design closed-loop control circuit. Finally u
6、sing pspice simulation to verify the feasibility of the design.Keywordsinduction heating; MOSFET; class-E inverter; pspiceII 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 感应加热电源的基本原理11.1.1.1 电磁感应与感应加热11.1.1.2 透入深度与集肤效应21.2 感应加热电源的发展现状31.2.1 国外感应加热电源的现状31.2.2 国内感应加热技术现状41.3 电力电子器件的发展51.4 论文选题意义及主要工作6第2章 E类逆
7、变器结构与原理分析82.1 单E类逆变器原理分析92.2 双E类逆变器原理分析11本章小结13第3章 E类逆变器的设计和计算143.1 基本谐振电路143.2 E类逆变器的谐振频率153.2.1 单E类逆变器谐振频率153.2.2双E类逆变器谐振频率163.3 E类逆变器的设计和参数计算163.3.1 品质因数163.3.2 MOSFET的选择173.3.3主电路参数计算183.4 控制电路设计19本章小结21第4章 实验仿真224.1 E类逆变器的调试224.2 仿真波形24本章小结27结论28参考文献29致 谢31附录132附录237附录342附录450附录558III第1章 绪论 第1章
8、 绪论1.1 课题背景感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点，因而在国民经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源的研制。电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电子器件制造成本正在迅速下降，不断提升其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。1.1.1 感应加热电源的基本原理1.1.1.1电磁感应与感应加热Michael Farady于1831年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。1感应加热的
9、原理图如图1-1所示： 图1-1 感应加热的原理图如上图，当感应线圈上通以交变电流时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又会在金属工件中产生感应电势。根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为： (1-1)式中N是线圈匝数，假如是按正弦规律变化的，则有： (1-2) 那么可得到感应电动势为： (1-3)因此感应电动势的有效值为： (1-4)由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般
10、电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。这样，感应电势在工件中产生感应电流（涡流），使工件加热。其焦耳热为： (1-5)式中，：电流通过电阻产生的热量（）； ：电流有效值（）； ：工件的等效电阻（）； ：工件通电的时间（）。由式（1-4）可以看出，感应加热和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率等有关。1.1.1.2 透入深度与集肤效应在导体中流
11、过电流时，在它的周围便同时产生磁场、通过的电流为直流时，产生的磁场是固定的，不影响导体的导电性能；而通过交流电时，产生的磁场是交变的，会引起集肤效应，使大部分电流在导体的表面流通，即有效导电面积减小，电阻增加。交流电流的频率越高，集肤效应越严重。透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从表面向里面衰减，其衰减大致是呈指数规律变化。工程上规定：当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度内。透入深度可用下式来表示： (1-6)式中，：导体材料的电阻率
12、（）；：导体材料的相对磁导率；：电流频率（）。从（1-6）可知，当材料的电阻率，相对磁导率确定以后，透入深度仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率越高，工件的发热层越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如猝火、热处理等。 1.2 感应加热电源的发展现状感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子器件的出现于发展，使感应加热技术和现代化生产许多方面密切相关，发展了很大的生产力的作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。
13、1.2.1 国外感应加热电源的现状低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，热应力小，热处理工件变形小，比较适合大型弓箭的整天透热、大容量炉的熔炼和保温。目前，在低频感应加热场合普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频炉。在中频（15010）范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。在超音频（10100）范围内，早期基本是空白，晶闸管
14、出现以后，一度曾采用晶闸管以时间分割电路和倍频器构成的超音频电源。八十年代开始，随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新型器件（主要有GTO、GTR、MCT、IGBT、BSIT、和SITH）构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以IGBT应用最为普遍。这是因IGBT使用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制。西班牙在1993年也已经报道了3600KW/100的IGBT电流型感应加热电源，欧、美地区的其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。在高音频（100以上）领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向固态电源的过渡阶段。以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为5100KW/100500，而其采用SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400KW/400，并且在1987年就已开始研制1200KW/200的SIT电源。欧美各国采用MOSFET感应加热电源的容量已达480KW/50200，比利时的Inducto Elphi
